高中物理电磁学中导体棒模型解析

◎ 周 健

高中物理学科具有自然特性，合理的教学方法和教学策略是影响高中物理课程教学能否取得有效发展的关键性因素。就目前高中物理学科的实际情况而言，由于目前很多学校的高中物理教学依然采用旧的教学模式，造成物理教学效率低下，这样的教学已经无法满足学生的需求。这就要求物理教师必须不断探索和实践，不断改变自己的观念和思维方式，通过对自己的观念和思维方式的调整，探索出一套有效的学习策略，促进中学物理教育教学工作的发展。

一、高中物理教学存在的主要问题

1.学生的物理学习中缺少“眼见为实”

高中学生年龄和心理还处于成长的初期，因此在学习过程中，对抽象的物理知识缺乏直观的感受，以至于在学习过程中对物理知识难以理解甚至是曲解其意。其次，部分学生依然采用死记硬背的学习方法，严重阻碍了学生思维能力的发展，也使教师难以达成教学目标。

2.学生在解决物理问题时容易“化实为虚”

高中学生虽然在一定程度上已经掌握了基本的物理常识，但由于对这些知识的理解不够深入和透彻，因此在应用过程中经常无从下手，更谈不上将知识应用于生活实际中去解决实际问题。因此，当前物理教学并没有提高学生解决实际问题的能力。

二、导体棒模型的概述及特点

作为高中物理电磁学中的经典模型——导体棒模型，其不仅涉及到力学，同时还涉及到了动力学、能量学、电路、电磁感应等诸多方面的知识，导体棒模型的特点是过程较为复杂，变式多样，同时也是高考考查的重要内容。通过导体棒模型的解析，不仅考查了学生的力学知识，又考查了学生的电学知识，反映了学生的物理综合应用能力。因此，导体棒模型的解析是力学与电磁学的综合应用。而常见的电磁棒模型主要分为：电动机模型和发电机模型两大类。

三、高中物理电磁学中导体棒模型的应用概述

1.通电导体棒模型

通电类型导体棒模型，通常又可以分为：平衡类和运动类。对于通电导体棒的平衡问题，可以利用物体的平衡原理进行相应的解答，而对于导体棒的运动性问题，则需要结合牛顿运动定理、能量观点等知识进行综合性的分析，从而做出正确的解答。

例如，在某个水平面上有一个不计电阻的U形导轨NMPQ，导轨的宽度为L、同时在M和P之间引入一个电动势E的不计内阻性的电源。然后，相对于导轨的垂直位置放入一根质量为m，电阻为R的金属棒ab，并向其施加一个较大范围的匀强磁场，设磁感应强度为B，其方向与水平面的夹角为θ同时指向斜右上方。

问：当ab棒处于静止状态时，求ab棒的支持力(FN)和摩擦力(Ff)的大小。

解析：以棒ab为研究对象，根据平衡条件得：

2.棒生电模型

电磁感应的经典模型——棒生电模型，也是高中物理的重要内容之一，其产生电流的方式通常可分为平动切割和转动切割两种方式，在解决这一模型的问题时，应该把握“从静态到动态、动态到终态”的基本原则进行分析。不难看出，电磁感应现象的实质是不同形式的能量转化过程。因此，我们可以站在能量的观点进行分析，通过对能量转化的把握，解决电磁感应的问题。

例如，有两个不计电阻，同时足够长且光滑的平行金属导轨，设导轨与水平面夹角为θ，导轨的间距为l，并将其处于正方形abcd的平面内，同时施加有界的匀强磁场，这时磁感应的强度为B，其方向垂直于斜面向上。如果将A、B两根阻值(R)与质量(m)均相同的金属杆放在导轨上，将A 金属杆放在匀强磁场的上边界，设A、B两棒之间的距离为l。这时由静止状态释放A、B两金属杆，同时在A金属杆上施加一个沿着导轨的外力，如果金属杆A始终沿导轨向下做匀加速的直线运动，且加速度的大小为g=sinθ，而B金属杆刚则以匀速运动进入磁场时。

问：从开始释放到B金属杆到其离开磁场，B金属杆中所产生热量为Q，请试求这一过程中外力F对A金属棒所做的功。

解析：B金属棒在进入磁场前，由于做匀加速运动，所以A、B两根金属棒产生相同的热量，设为Q1；这一过程中A金属棒一直在磁场中，外力F始终等于安培力，则有WF=W安=2Q1；B金属棒在磁场中产生的运动热量就为Q2=Q-Q1；根据动能的守恒定理则有mglsinθ-2Q2=0；得：WF=2Q-mglsinθ。

总之，导体棒模型是高中阶段物理教学的一个重要内容，所以教师一定要注重电磁感应教学方法的创新与探索。这需要广大教师积极主动创新和改进自己的实验教学方法，进而促进高中阶段物理教学效果的提高。